一種基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，第一步，散斑和標(biāo)記制備；第二步，雙目相機(jī)標(biāo)定；第三步，散斑圖像采集；第四步，指定圖像子區(qū)；第五步，圖像相關(guān)匹配；第六步，三維坐標(biāo)重建；第七步，變形量計(jì)算。通過上述操作步驟，本發(fā)明的基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，可以準(zhǔn)確測(cè)量材料在拉伸實(shí)驗(yàn)過程中的變形量，具有操作方便、非接觸測(cè)量、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)。
【專利說明】一種基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械加工測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種視覺引伸計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，特別是涉及一種基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著加工制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)加工材料的性能要求越來越高，相應(yīng)地，材料性能的檢測(cè)手段也越來越先進(jìn)。對(duì)變形量的測(cè)量由過去的機(jī)械式測(cè)量發(fā)展為光學(xué)非接觸測(cè)量。機(jī)械接觸式的刀口引伸計(jì)在測(cè)量材料拉伸過程中的變形量時(shí)，刀口與被測(cè)件之間的摩擦?xí)a(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(打滑)，影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。非接觸式的視頻引伸計(jì)是在光電器件和光電測(cè)量技術(shù)以及圖像處理技術(shù)不斷發(fā)展完善的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它利用圖像分析方法，跟蹤物體表面圖像子區(qū)域的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，推算物體變形的位移和應(yīng)變，具有非接觸性、高精度、光路簡(jiǎn)單，受環(huán)境影響小，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。然而在有些方面還有待進(jìn)一步完善，首先，引伸計(jì)測(cè)量應(yīng)變量的核心是試樣與標(biāo)記的光強(qiáng)度反差，反差越大，引伸計(jì)的跟蹤效果越好，由于試樣材料和顏色的多樣性，給不同標(biāo)記的制作帶來很大難度。另外，就是標(biāo)記的精確跟蹤，尤其是對(duì)于大變形材料，變形后標(biāo)記和初始標(biāo)記有很大的變化，這就要求更高的圖像匹配和檢測(cè)算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，滿足實(shí)際使用的要求，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，可以準(zhǔn)確測(cè)量材料在拉伸實(shí)驗(yàn)過程中的變形量。
[0004]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0005]一種基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0006]第一步，散斑及標(biāo)記制備:在被測(cè)試樣表面的測(cè)量區(qū)域制作散斑，并在試樣表面采用黑色十字線標(biāo)記出兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)(即為被測(cè)點(diǎn))；
[0007]第二步，雙目相機(jī)標(biāo)定:從不同方位拍攝表面印制有圓形標(biāo)志點(diǎn)的平面標(biāo)靶，根據(jù)采集的標(biāo)靶圖像，采用光束平差算法對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行整體一次性標(biāo)定，計(jì)算得到兩相機(jī)的外部參數(shù)、內(nèi)部參數(shù)以及鏡頭畸變參數(shù)；
[0008]第三步，散斑圖像采集:啟動(dòng)材料拉伸設(shè)備以拉伸被測(cè)試樣，同時(shí)控制兩相機(jī)同步拍攝以獲取被測(cè)試樣在拉伸變形過程中的圖像序列；
[0009]第四步，指定圖像子區(qū):選取一個(gè)變形狀態(tài)下的被測(cè)試樣的圖像作為基礎(chǔ)狀態(tài)，在基礎(chǔ)狀態(tài)的左相機(jī)圖像中根據(jù)第一步標(biāo)記的計(jì)算點(diǎn)指定一個(gè)方形圖像子區(qū)，圖像子區(qū)的中心即為待測(cè)點(diǎn)中心；
[0010]第五步，圖像相關(guān)匹配:根據(jù)第四步中所指定的圖像子區(qū)，采用數(shù)字圖像相關(guān)算法對(duì)同一時(shí)刻左右相機(jī)采集的圖像進(jìn)行匹配；對(duì)于左相機(jī)圖像上待測(cè)的某一圖像子區(qū)，在右相機(jī)圖像上搜索與其對(duì)應(yīng)于同一空間計(jì)算點(diǎn)的圖像子區(qū)；
[0011]第六步，三維坐標(biāo)重建:根據(jù)第二步的相機(jī)標(biāo)定結(jié)果和第五步的圖像相關(guān)匹配結(jié)果，采用三角測(cè)量法，對(duì)左右相機(jī)圖像對(duì)應(yīng)的圖像子區(qū)的中心點(diǎn)進(jìn)行三維重建，從而獲得計(jì)算點(diǎn)(被測(cè)點(diǎn))的三維坐標(biāo)信息。
[0012]第七步，變形量計(jì)算:根據(jù)第六步的三維重建結(jié)果，通過跟蹤被測(cè)試樣表面被測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)計(jì)算被測(cè)點(diǎn)在每個(gè)變形狀態(tài)的三維位移，并通過兩計(jì)算點(diǎn)的點(diǎn)間距變化來計(jì)算應(yīng)變。
[0013]本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014](I)由于本方法使用的是光學(xué)測(cè)量的方式，所以是一種非接觸測(cè)量方法。
[0015](2)由于本方法中數(shù)字散斑圖案噴涂工作簡(jiǎn)單，變形計(jì)算完全自動(dòng)化，因此，測(cè)量效率較高。
[0016](3)由于本方法使用散斑圖像作為測(cè)量依據(jù)，所以測(cè)量范圍可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，適用范圍大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明操作步驟流程圖
[0018]圖2本發(fā)明方法實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖
[0019]圖3本發(fā)明方法散斑制備后的試樣
[0020]圖4本發(fā)明方法計(jì)算點(diǎn)標(biāo)記簡(jiǎn)圖
[0021]圖5本發(fā)明方法指定計(jì)算點(diǎn)截圖
[0022]圖6被測(cè)點(diǎn)位移時(shí)間變化曲線圖
[0023]圖7應(yīng)變時(shí)間變化曲線圖
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明提出一種基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，具體操作步驟如圖1所示。其中所采用的硬件裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由2個(gè)CCD相機(jī)、2個(gè)LED光照燈、I個(gè)控制器和I臺(tái)計(jì)算機(jī)等組成。
[0026]第一步，散斑及標(biāo)記制備:在被測(cè)試樣表面的測(cè)量區(qū)域制作散斑，并在試樣表面采用黑色十字線標(biāo)記出兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)(即為被測(cè)點(diǎn))。優(yōu)選地，制備要求:(a)噴涂在試樣表面的散斑顆粒應(yīng)隨機(jī)分布；(b)散斑對(duì)比度明顯，應(yīng)大于預(yù)定閾值；(c)散斑制備范圍應(yīng)大于所測(cè)量變形區(qū)域；(d)根據(jù)測(cè)量幅面和相機(jī)分辨率設(shè)定散斑顆粒尺寸，以圖3所示的散斑為參考；(e)計(jì)算點(diǎn)標(biāo)記時(shí)應(yīng)清楚明顯,如圖4所示。
[0027]第二步，雙目相機(jī)標(biāo)定:從不同方位拍攝表面印制有圓形標(biāo)志點(diǎn)的平面標(biāo)靶，然后，根據(jù)采集的標(biāo)靶圖像，采用光束平差算法對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行整體一次性標(biāo)定，計(jì)算得到兩相機(jī)的外部參數(shù)、內(nèi)部參數(shù)以及鏡頭畸變參數(shù)。
[0028]第三步，散斑圖像采集:啟動(dòng)材料拉伸設(shè)備以拉伸被測(cè)試樣，同時(shí)控制兩相機(jī)同步拍攝以獲取被測(cè)試樣在拉伸變形過程中的圖像序列。優(yōu)選地，圖像采集要求:(a)左右相機(jī)應(yīng)同步拍攝；(b)所采集的圖像應(yīng)清晰，圖像中散斑特征明顯，對(duì)比度應(yīng)大于預(yù)定閾值；(c)在拍攝過程中左右相機(jī)相對(duì)位置應(yīng)保持不變，否則會(huì)影響第六步三維坐標(biāo)重建精度。
[0029]第四步，指定圖像子區(qū):選取一個(gè)變形狀態(tài)下的被測(cè)試樣的圖像作為基礎(chǔ)狀態(tài)，在基礎(chǔ)狀態(tài)的左相機(jī)圖像中根據(jù)第一步標(biāo)記的計(jì)算點(diǎn)指定一個(gè)方形圖像子區(qū)，圖像子區(qū)的中心即為待測(cè)點(diǎn)中心。所述方形圖像子區(qū)大小應(yīng)根據(jù)散斑顆粒尺寸和相機(jī)分辨率設(shè)置。
[0030]第五步，圖像相關(guān)匹配:根據(jù)第四步中所指定的圖像子區(qū)，采用數(shù)字圖像相關(guān)算法對(duì)同一時(shí)刻左右相機(jī)采集的圖像進(jìn)行匹配；對(duì)于左相機(jī)圖像上待測(cè)的某一圖像子區(qū)，在右相機(jī)圖像上搜索與其對(duì)應(yīng)于同一空間計(jì)算點(diǎn)的圖像子區(qū)。
[0031]具體而言，假設(shè)圖像子區(qū)中有N個(gè)像素點(diǎn)，像素灰度受到獨(dú)立同分布的噪聲干擾，參考圖像子區(qū)與待匹配圖像子區(qū)間的相似程度可通過下式衡量:
[0032](
【權(quán)利要求】
1. 一種基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括下述步驟: 第一步，散斑及標(biāo)記制備:在被測(cè)試樣表面的測(cè)量區(qū)域制作散斑，并在試樣表面采用黑色十字線標(biāo)記出兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)(即為被測(cè)點(diǎn))； 第二步，雙目相機(jī)標(biāo)定:從不同方位拍攝表面印制有圓形標(biāo)志點(diǎn)的平面標(biāo)靶，根據(jù)采集的標(biāo)靶圖像，采用光束平差算法對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行整體一次性標(biāo)定，計(jì)算得到兩相機(jī)的外部參數(shù)、內(nèi)部參數(shù)以及鏡頭畸變參數(shù)； 第三步，散斑圖像采集:啟動(dòng)材料拉伸設(shè)備以拉伸被測(cè)試樣，同時(shí)控制兩相機(jī)同步拍攝以獲取被測(cè)試樣在拉伸變形過程中的圖像序列； 第四步，指定圖像子區(qū):選取一個(gè)變形狀態(tài)下的被測(cè)試樣的圖像作為基礎(chǔ)狀態(tài)，在基礎(chǔ)狀態(tài)的左相機(jī)圖像中根據(jù)第一步標(biāo)記的計(jì)算點(diǎn)指定一個(gè)方形圖像子區(qū)，圖像子區(qū)的中心即為待測(cè)點(diǎn)中心； 第五步，圖像相關(guān)匹配:根據(jù)第四步中所指定的圖像子區(qū)，采用數(shù)字圖像相關(guān)算法對(duì)同一時(shí)刻左右相機(jī)采集的圖像進(jìn)行匹配；對(duì)于左相機(jī)圖像上待測(cè)的某一圖像子區(qū)，在右相機(jī)圖像上搜索與其對(duì)應(yīng)于同一空間計(jì)算點(diǎn)的圖像子區(qū)； 第六步，三維坐標(biāo)重建:根據(jù)第二步的相機(jī)標(biāo)定結(jié)果和第五步的圖像相關(guān)匹配結(jié)果，采用三角測(cè)量法，對(duì)左右相機(jī)圖像對(duì)應(yīng)的圖像子區(qū)的中心點(diǎn)進(jìn)行三維重建，從而獲得計(jì)算點(diǎn)(被測(cè)點(diǎn))的三維坐標(biāo)信息。 第七步，變形量計(jì)算:根據(jù)第六步的三維重建結(jié)果，通過跟蹤被測(cè)試樣表面被測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)計(jì)算被測(cè)點(diǎn)在每個(gè)變形狀態(tài)的三維位移，并通過兩計(jì)算點(diǎn)的點(diǎn)間距變化來計(jì)算應(yīng)變。
2.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，其中，所述第一步中制備的散斑滿足:(a)散斑顆粒隨機(jī)分布；(b)優(yōu)選的，散斑對(duì)比度大于預(yù)定閾值；(C)散斑制備范圍大于所測(cè)量變形區(qū)域。
3.如權(quán)利要求2所述的基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，其中，根據(jù)測(cè)量幅面和相機(jī)分辨率設(shè)定散斑顆粒尺寸。
4.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，其中，所述第四步中根據(jù)散斑顆粒尺寸和相機(jī)分辨率設(shè)置所述方形圖像子區(qū)的大小。
5.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，其中，所述第五步中，假設(shè)像素灰度受到獨(dú)立同分布的噪聲干擾，則參考圖像子區(qū)與待匹配圖像子區(qū)間的相似程度通過下式衡量:
6.如權(quán)利要求5所述的基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，其中，考慮待匹配圖像子區(qū)的變形，整個(gè)圖像子區(qū)中的點(diǎn)在變形前后的映射關(guān)系通過一階位移函數(shù)表示:
7.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字散斑的視覺引伸計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，其中，所述第七步中，變形前后被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系進(jìn)行重建，假設(shè)某一被測(cè)點(diǎn)在變形時(shí)刻ti的三維坐標(biāo)為(X(ti)，Y(ti)，Z(ti))，則相應(yīng)的位移(Dx，DY，Dz)通過下式進(jìn)行計(jì)算:
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK103575227SQ201310443338
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】唐正宗, 李磊剛, 盧崗 申請(qǐng)人:西安新拓三維光測(cè)科技有限公司